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Énergie, pollution de l’air et développement durable

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Claude Ronneau

Chapitre 7. Les énergies renouvelables

Texte intégral

1Exception faite du charbon dont les réserves subsisteront encore pendant quelques siècles, la surexploitation des dernières réserves de pétrole et de gaz va se poursuivre inexorablement. Sauf revirement profond de l’évolution actuelle, il n’y a guère de bonnes raisons de croire que cette tendance aille s’infléchir dans les décennies à venir et ce, pour de très pragmatiques raisons d’économie à court terme. Quoi qu’on ait pu dire et écrire il y a quelques décennies, les énergies renouvelables sont généralement plus coûteuses que les énergies fossiles et ceci explique que l’exploitation des ressources en énergie fossile risque de se poursuivre inexorablement jusqu’à à épuiser les ressources de la terre.

2Par ailleurs, si l’on ne fait rien pour réduire les émissions de CO2, l’épuisement des réserves fossiles ira de pair avec un accroissement (un « forçage ») désastreux de l’effet de serre qui va étendre la désertification et pousser des millions d’affamés dans des vagues migratoires désespérées. Il est incontestable que les perspectives d’évolution du climat de la terre imposent un recours accru aux énergies renouvelables qui devraient, avant la fin de ce siècle, couvrir une fraction appréciable, sinon majoritaire, des besoins en énergie de l’humanité.

3Cependant, il faut couper court aux illusions trop en vogue actuellement : un revirement total des bases de l’économie énergétique n’est pas pour demain. En outre, pour de simples raisons économiques et techniques, il est totalement illusoire de vouloir élargir le confort technologique actuel des nations développées à l’ensemble des six milliards d’humains (et a fortiori des dix milliards à venir), sans poursuivre l’exploitation et accélérer l’épuisement des ressources fossiles. Et si cette éventualité, bien que totalement irréaliste, devait s’affirmer, on assisterait à une dévastation implacable des dernières ressources fossiles et biologiques de la planète. Sans doute apprendra-t-on à exploiter mieux et plus intensément les ressources fossiles et les énergies renouvelables mais il est évident qu’elles n’apporteront qu’une bien maigre contribution à des besoins énergétiques décuplés. L’exploitation des énergies renouvelables va exiger encore plus de matériaux rares, plus d’investissements, plus d’espace, plus de gestion prudente, … si l’on veut offrir un bien-être de type occidental à une fraction importante de l’humanité à la démographie débridée. Les énergies renouvelables sont gratuites, mais leur valorisation peut coûter très cher quand il s’agit de les capter et, surtout, de les stocker.

4Il est évidemment exclu, dans le cadre de ce livre, de décrire dans le détail les différentes techniques qui permettent de capter, piéger, accumuler et valoriser l’énergie inépuisable du soleil : de nombreux ouvrages spécialisés sont là pour répondre dans le détail aux questions les plus pointues. Tout au plus pourrons-nous ici insister sur quelques limitations qui, malheureusement, viennent un tant soit peu tempérer l’enthousiasme que l’on pourrait dédier à ces techniques.

1. L’énergie du rayonnement solaire

5Le soleil est une étoile de taille modeste dont la planète Terre, située à 150 millions de km, n’intercepte qu’une infime partie du rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement délivre en permanence à l’extérieur de l’atmosphère, sous forme de photons, une puissance énergétique de 1368 W/m2 soit un total de 178 1015 W sur la totalité de l’hémisphère éclairé. A chaque seconde qui passe, la terre reçoit donc une énergie de 178 1015 J, soit 4,38 millions de TEP. Cette énergie brute correspond à 1,7 jours de consommation d’énergie primaire de l’ensemble de l’Europe des quinze (moyenne de 1998) ou bien encore à 4,4 heures de consommation mondiale.

  • 1 Au Sahara, 6 kWh/m2 jour : mais dans les régions polaires, moins de 1 kWh/m2 jour (Ngo, 2002).

6Le schéma repris ci-dessous montre que la puissance reçue par l’hémisphère éclairé de la terre (de rayon R) correspond au flux traversant le grand cercle de la terre (superficie = π R2). Cette puissance est évidemment distribuée sur toute la surface de la sphère terrestre (superficie = 4 π R2), ce qui, en moyenne, correspond à une puissance de 342 W/m2. De cette puissance, rappelons-le, 31 % sont réfléchis vers l’espace et, en fin de compte, 175 W/m2 (soit 4,2 kWh/m2 jour)1 arrivent, en moyenne toujours, sous forme de rayonnement direct, à la surface du sol, ce qui reste fort appréciable. Le maximum de puissance que l’on puisse espérer récupérer, à l’équateur, avec un ciel parfaitement dégagé et lorsque le soleil est au zénith, est de l’ordre de 1 000 W/m2.

  • 2 Rappelons que l’énergie d’un photon vaut E = hv. La longueur d’onde la plus abondante dans le spec (...)

7Ce rayonnement, arrivé au sol, est constitué d’une très faible fraction de rayons UV (λ < 0,38 µm), de lumière visible (0,38 µm < λ < 0,78 µm)2 et d’infrarouge (λ > 0,78 µm). L’intensité du rayonnement au sol varie très largement suivant la latitude, l’altitude, la saison, l’état de l’atmosphère et, bien entendu, l’heure du jour. C’est là, évidemment que réside une des limitations du rayonnement solaire, cette intermittence qui veut qu’il soit absent quand on en a le plus besoin ! En fin de compte, en Europe, l’ensoleillement moyen annuel au sol est de l’ordre de 900 à 1 000 kWh/m2 dans le sud de la Scandinavie tandis qu’il atteint 1 600 à 1 750 kWh/m2 au sud du continent. Une connaissance détaillée de l’ensoleillement moyen dans une région donnée est évidemment requise pour évaluer le potentiel énergétique des systèmes de captage de l’énergie solaire. Cette énergie directe peut être valorisée de diverses manières.

1.1. La chaleur solaire pour l’habitat

8Pour un très grand nombre d’applications domestiques, les besoins en énergie thermique se limitent à des températures de l’ordre de 30 à 60°C au-dessus de l’ambiance, températures suffisantes pour assurer le chauffage de bâtiments ou l’approvisionnement en eau chaude sanitaire ou à l’usage de piscines. De l’eau ou de l’air circulant au contact d’une surface absorbante (noire) exposée au rayonnement solaire suffisent à ces usages, à condition de limiter les pertes thermiques du capteur en l’isolant par un vitrage simple ou double. Sous un ensoleillement de 1 200 kWh/m2 dont on peut espérer bénéficier annuellement à une latitude moyenne en Europe, un capteur peut ainsi produire environ 500 kWh d’énergie thermique par mètre carré. C’est fort appréciable et cette technique de captage, qui doit évidemment se doubler d’une installation d’appoint pour pallier les insuffisances du soleil, devrait être plus largement subsidiée par les autorités civiles, de manière à contrebalancer, partiellement au moins, le surcoût imposé par l’installation des panneaux solaires. Si on souhaite chauffer la maison par le sol (par plancher chauffant), il faut compter 1 m2 de panneaux pour 10 m2 d’habitation. A raison de 100 € par m2 (sans compter le plancher chauffant), on conçoit que l’investissement fasse réfléchir, à une époque où les combustibles fossiles sont encore trop bon marché. Il n’en demeure pas moins que la technique des panneaux solaires est arrivée à maturité depuis quelques années et devrait trouver une diffusion plus large. En Europe, plus de 10 millions de m2 de panneaux capteurs thermiques ont été installés depuis les années 80, souvent sous l’incitation financière des états qui trouvent là une piste pour alléger leur facture énergétique (Dessus et Pharabod, 2002).

9Une application intéressante consiste en la distillation d’eau saumâtre ou d’eau de mer effectuée sous couverture vitrée. L’eau évaporée se condense et ruisselle sur le vitrage incliné et peut ainsi être recueillie et utilisée comme eau de boisson. Il s’agit là, certainement, d’un procédé susceptible de répondre à bon nombre de problèmes d’alimentation en eau potable dans les pays ensoleillés arides.

1.2. La chaleur solaire à plus haute température

  • 3 Ce potentiel solaire est connu depuis longtemps puisque la légende fait à Archimède la réputation (...)

10En théorie, la température que l’on pourrait espérer atteindre grâce au captage des rayons solaires serait de quelques milliers de degrés (température de la surface du soleil : 6 000 K). Mais, nous l’avons rappelé dans le premier chapitre, le flux de photons provenant du soleil est relativement dilué et l’interaction des photons avec la matière, si elle est très énergique à l’échelle atomique, se dégrade cependant très rapidement dans la matière sous forme de chaleur, suite à une dispersion rapide de l’excitation électronique. D’autre part, le capteur, échauffé par ces rayonnements tend aussi à se débarrasser de cette énergie en émettant du rayonnement infrarouge (loi du corps noir), ce qui limite évidemment les possibilités de montée en température du fluide caloporteur circulant dans le panneau. Hausser la température de l’énergie solaire au captage exige donc, outre l’isolation des panneaux, de concentrer le rayonnement, par exemple, au moyen de miroirs concaves3. Il est ainsi possible de procéder, par exemple, à la cuisson d’aliments.

  • 4 Chiffres fournis par Chr. Ngo (2002). Cette région des Pyrénées jouit d’un ciel particulièrement d (...)

11On peut également envisager des applications thermodynamiques : il faut concentrer les rayons solaires sur une chaudière productrice de vapeur qui alimente une turbine. Mais les températures atteintes restent trop faibles pour espérer atteindre un rendement thermodynamique satisfaisant et donc obtenir du travail mécanique à moindre coût. D’autre part, la source d’énergie thermique est trop aléatoire pour satisfaire une demande exigeante. Des centrales solaires à tour installées à Targasonne, dans le sud de la France, à Odeillo, atteignent des rendements de 10 à 15 % au prix de 0,09 à 0,15 € par kWh4.

1.3. Le stockage de l’énergie thermique

12Au risque de se répéter, il faut rappeler le caractère fugace de l’énergie thermique : il n’existe pratiquement aucun matériau isolant capable d’empêcher sa dispersion. Dès lors, s’il est relativement facile de capter l’énergie thermique du soleil, il est illusoire d’espérer la stocker pendant de longues périodes, en particulier en prévision des mois d’hiver où elle fait défaut. Des solutions sont possibles mais leur caractère onéreux fait douter de leur viabilité. Pour stocker, pendant les mois d’été, une quantité significative d’énergie thermique récupérable en hiver, il faudrait prévoir, dans les bâtiments, des matériaux de stockage (de l’eau, par exemple), dont le volume serait au moins égal au volume d’habitation à chauffer. Mais il faut bien se rendre compte qu’un stockage à l'eau, aussi bien isolé soit-il, perd la moitié de son stock d'énergie thermique en deux ou trois mois.

  • 5 La glace, par exemple, fond à 0°C en absorbant de l’énergie, pour se transformer en eau à 0°C. L’é (...)

13Une autre technique, a priori plus prometteuse, consisterait à accumuler cette énergie sous forme de « chaleur latente »5. Le principe consiste à utiliser l’énergie thermique captée par les panneaux solaires pour faire fondre un sel (réaction endothermique) :

Energie + Sel solide → Sel liquide

14Une quantité de plus en plus importante de sel est progressivement amenée à l’état liquide (à la température constante de son point de fusion) pendant les périodes d’ensoleillement. Au moment où l’apport solaire est insuffisant, il suffit d’inverser le processus en extrayant, du sel fondu, l’énergie latente qu’il va restituer en se solidifiant :

Sel liquide → Sel solide + Energie

15La température de fusion varie très largement d’un sel à l’autre. Le « sel de Glauber », par exemple, présente une température de fusion assez basse (32,4°C) pour qu’il soit possible de l’utiliser avec des panneaux solaires plans (sans concentration), mais avec le désavantage de restreindre son utilisation au seul chauffage des habitations (par plancher chauffant). D’autres sels fondent à plus haute température : ils exigent des capteurs solaires à concentration et posent des problèmes d’isolation du stockage d’autant plus sérieux qu’il faut alors les conserver pendant plusieurs mois à des températures plus élevées. Par ailleurs, des sels fondus se montrent le plus souvent très agressifs chimiquement ce qui entraîne des exigences particulières en ce qui concerne les matériaux de stockage avec lesquels ils sont mis en contact. On comprendra aisément que toutes ces servitudes grèvent d’autant les charges financières d’investissement à consentir lors de la construction d’habitations « solaires » relativement autonomes.

2. L’énergie solaire photovoltaïque

16Bien que la découverte de l’effet photovoltaïque remonte au début du 19e siècle, ce n’est qu’en 1954 que furent réalisées les premières cellules permettant de transformer l’énergie électromagnétique du soleil en énergie électrique utile … avec un rendement de 6 %. L’effet photovoltaïque s’observe dans des semi-conducteurs, matériaux le plus souvent cristallins, caractérisés par le fait que des électrons de liaison, normalement bloqués dans les liaisons du cristal peuvent, sous activation photonique, être propulsés dans un état d’énergie qui les rend mobiles dans la structure du semi-conducteur. Les schémas repris ci-dessous donnent un aperçu du fonctionnement des semi-conducteurs qui constituent le matériau actif des cellules photovoltaïques.

2.1. Le silicium, un semi-conducteur

17Considérons le cas du silicium, actuellement encore élément de base dans la constitution des semi-conducteurs. Il s’agit d’un élément proche du carbone puisque, comme lui, il possède quatre électrons dans sa couche électronique externe. Très schématiquement :

18Les quatre électrons externes vont participer aux liaisons qui unissent tous les atomes dans le solide cristallin. Le silicium pur peut en effet cristalliser en un édifice extrêmement compact et très dur, à l’instar du carbone lorsque celui-ci se présente sous la forme du diamant. Il s’agit d’une structure dans laquelle chaque atome de silicium occupe le centre d’un tétraèdre, chacun des sommets de celui-ci étant occupés par l’atome de Si voisin auquel il est réuni par une liaison résultant de la mise en commun de deux électrons (liaison covalente). Cette structure spatiale en trois dimensions est difficile à reproduire en schéma, aussi allons-nous la représenter dans le plan de la feuille, en deux dimensions : une telle représentation est bien suffisante pour comprendre le fonctionnement d’un semi-conducteur. Dans ce schéma, chaque trait unissant deux atomes de Si représente une liaison covalente soit, une paire d’électrons mis en commun.

  • 6 Le saut énergétique (« gap ») vaut 1,1 eV pour le silicium cristallin et 1,7 eV pour le silicium a (...)

19L’appellation de « semi-conducteur » vient du fait que, à la température ambiante, un nombre très faible d’électrons de liaison peuvent, spontanément, se désolidariser de leur partenaire pour voyager librement dans le cristal. Il s’agit de ce qu’on appelle une « promotion » de l’électron depuis le niveau d’énergie de valence jusqu’au niveau de conduction. Ce phénomène se produit spontanément, nous l’avons dit, il s’amplifie avec la température et peut être activé par le rayonnement solaire6. Le niveau de conduction est évidemment instable et les électrons « retombent » tôt ou tard sur le niveau de valence, dégradant ainsi en chaleur l’énergie photonique reçue du soleil.

20Le silicium pur est un semi-conducteur dit « intrinsèque ». Il est possible de favoriser la promotion d’électrons dans le niveau de conduction en « dopant » le silicium par des « impuretés » spécifiques.

2.2. Le « dopage » du silicium

21Puisque la probabilité est extrêmement faible que des électrons de liaison se désolidarisent pour aller vagabonder dans le réseau du cristal, on va introduire, dans le réseau cristallin du silicium, des éléments destinés à perturber son équilibre électronique par un excès ou un défaut du nombre d’électrons investis dans l’édifice. On peut, par exemple, substituer une faible fraction des atomes de Si par des atomes de bore, un élément qui ne compte que trois électrons dans sa couche externe, provoquant ainsi un déficit électronique dans une des liaisons. Remarquons que ce déficit (on parlera de « lacune ») n’altère aucunement l’équilibre des charges dans le réseau cristallin qui reste électriquement neutre.

  • 7 Remarquons que la séparation de charges électriques ainsi créée demande un apport d’énergie moins (...)

22La présence de telles lacunes favorise le transfert d’électrons de proche en proche, suivant le processus décrit par le schéma (simplifié) ci-dessous7.

23Et ainsi de suite, d’un atome à l’autre. Etant donné que la conduction de charges électriques s’effectue par le transfert d’une lacune électronique, on parlera ici de conduction par « trous ». Il s’agit de ce que l’on appelle un semi-conducteur de type p (comme « positif ») puisque la conduction se réalise par transfert d’une absence d’électron (absence de charge négative).

24En parallèle, on réalise aussi des semi-conducteurs de type n qui constituent le pendant des semi-conducteurs de type p : dans ce cas, on dope le silicium avec un élément dont la couche électronique est constituée de cinq électrons, par exemple, l’arsenic (As). A ce moment, la conduction s’effectue, on le comprendra, par un transfert de l’électron en excès (charge négative - n) : soit donc, schématiquement :

25Lorsqu’on met en contact un semi-conducteur de type n (SCn) avec un semi-conducteur de type p (SCp) on réalise une « jonction » couramment utilisée comme diode en électronique. A la jonction se produit un transfert spontané d’électrons depuis le SCn vers le SCp ce qui développe une différence de potentiel entre les deux SC. Voici d’abord les deux semi-conducteurs séparés :

26Si on unit les deux éléments, il se produit un transfert spontané d’électrons libres depuis le SCn vers le SCp : ces électrons vont ainsi combler les lacunes de l’élément p.

27Une différence de potentiel se crée à la jonction entre la zone n et la zone p. Si un électron est libéré (« promu ») dans la zone p par excitation lumineuse il se trouve dans la bande de conduction et possède alors un excès d’énergie et donc une mobilité qui lui permettent d’être attiré par la polarité positive de la zone n où il se recombinera avec un trou (lacune électronique) : il y aura par le fait même création d’un courant électrique à travers la jonction. La promotion des électrons exige des photons possédant une énergie minimale d’activation (une énergie-seuil) sous laquelle le phénomène ne peut se produire. Cette énergie minimale est caractéristique du semi-conducteur considéré ; elle est inférieure à celle du silicium pur.

  • 8 Données tirées de B. Dessus et F. Pharabod (2002).
  • 9 Et s’il est moins onéreux, c’est qu’il exige moins d’énergie à la production ! Le silicium fond à (...)

28Si un électron est promu, dans l’épaisseur de la zone p, à une trop grande distance de la jonction, la probabilité qu’il « retombe » dans la bande de valence est accrue : ceci explique qu’il y a tout intérêt à réaliser des zones p aussi peu épaisses que possible. En outre, une élévation de température diminue le rendement du transfert électronique en favorisant la retombée des électrons dans la bande de valence, ce qui est plutôt fâcheux pour un panneau solaire ! On a donc coutume de déterminer le rendement d’une photopile par la puissance qu’elle peut débiter sous un ensoleillement de 1 000 W/m2 à 25°C : c’est ce qu’on appelle le « watt-crête » (Wc). Pour fixer les idées, un module constitué de cellules au silicium occupant une surface de 1 m2 est capable de produire, sous un ensoleillement moyen de 5 kWh/m2 par jour, une énergie électrique de 0,5 kWh8. Sous des latitudes moyennes en Europe, un panneau de 1 Wc fournit environ 1 kWh/an. Actuellement, des cellules de laboratoire atteignent des rendements de l’ordre de 13 à 18 % pour des cellules à base de silicium (Si) monocristallin, et 7 à 8 % pour le Si amorphe, moins cher à la production9. En outre, les rendements ont tendance à décroître durant les premiers mois d’utilisation. Remarquons cependant que de tels rendements restent nettement supérieurs à celui de la photosynthèse qui est au maximum de 2 % (pour la canne à sucre) mais descendent souvent à 0,5 % dans les régions tempérées !

2.3. L’électricité photovoltaïque est coûteuse

29Si le principe de la cellule photovoltaïque est simple, son emploi pose bon nombre de problèmes dont le moindre n’est pas le prix, de l’ordre de 80 € le kilo pour le silicium mono-cristallin ultra-pur. Et puisque le coût de telles cellules est très étroitement lié à la dépense d’énergie qu’il a fallu consentir pour les élaborer, on ne sera pas surpris d’apprendre que les investissements en kW photovoltaïques se paient aussi par des émissions importantes de CO2 ! Il faut donc que leur longévité compense largement l’investissement en énergie polluante, ce qui semble d’ailleurs être le cas. D’autres matériaux sont à l’étude : on cite le tellurure de cadmium (CdTe), le diséléniure de cuivre et d’indium (CuInSe2) associé au sulfure de cadmium (CdS), l’arséniure de gallium (GaAs) … mais rappelons que Te, In et Ga sont des éléments rares, voire très rares, dans la croûte terrestre et donc coûteux à isoler.

  • 10 Données tirées de Chr. Ngo (2002).

30Un point important à débattre est la destination de l’énergie électrique ainsi produite. Si cette énergie doit être transmise à un réseau de distribution de l’électricité il faudra prévoir un « onduleur », un appareil qui transforme le courant continu des photopiles en courant alternatif synchronisé avec celui du réseau, ce qui implique un investissement de 3,80 à 5,30 € par Wc et un coût de 0,30 à 0,60 € par kWh envoyé sur le réseau10. L’énergie photovoltaïque est, bien sûr, intéressante dans les endroits isolés qu’il serait trop onéreux de relier à un réseau de distribution de l’électricité. Mais, dans ce cas, il faut évidemment prévoir un système de stockage par batteries de l’énergie électrique produite pendant les périodes d’ensoleillement. L’investissement se monte alors entre 5,30 et 9,30 € par Wc et un coût de production /accumulation de 0,75 à 1,50 €/kWh. Il faudrait aussi souligner le risque développé par ces accumulateurs d’énergie électrique : les moins coûteux sont à base de plomb, les moins lourds sont à base de nickel-cadmium. Un incendie dans un bâtiment hébergeant de telles batteries risque de provoquer une grave contamination par la dispersion de ces métaux toxiques (le cadmium est particulièrement volatil et dangereux). Encore une fois, si l’énergie solaire est gratuite, son domptage se révèle particulièrement onéreux et non exempt de risques.

31Enfin, certains comptes-rendus sur la rentabilité de l'énergie photovoltaïque demandent aussi une approche critique ; c'est qu’on ne peut pas généraliser toutes les conclusions avancées sur certaines applications. Aux Etats-Unis, par exemple, on peut annoncer que des panneaux photovoltaïques pourraient intervenir très efficacement en été pour soulager la production d'électricité. Mais on ne peut oublier que, dans ce pays, sous le climat torride de l'été, une bonne partie de la consommation d'électricité est consacrée, en pleine journée, à rafraîchir l'atmosphère des habitations et des bureaux (climatisation) : dans ce cas, évidemment, les panneaux solaires produisent un maximum d'énergie au moment précis où la consommation est, elle aussi, maximale. Il s'agit là d'une application particulièrement heureuse dans laquelle il y a synchronisme parfait entre l'offre et la demande d'énergie douce. Les canicules qui menacent l’Europe activeront sans doute ce genre d’applications dans nos régions.

3. L’énergie hydraulique

32L'énergie hydroélectrique est une énergie du soleil : elle est la moins chère de toutes. Les raisons en sont fort simples : lorsqu'on dresse un barrage sur le cours d'une rivière, on accumule sous forme d'énergie potentielle une partie de l'énergie solaire emportée par l'eau des nuages qui, petit à petit, se transforme en énergie cinétique des gouttes de pluie et, ensuite, en énergie de ruissellement. Et, dans ce cas-ci, pas besoin de prévoir d'immenses collecteurs artificiels : c'est l’ensemble du bassin versant de la rivière qui assure la collecte et la concentration de toutes ces eaux derrière le barrage.

33Il y avait, en France, des dizaines de milliers de moulins à eau au milieu du 18e s, ce qui démontre l’intérêt et la relative simplicité de cette source d’énergie mécanique, probablement une des premières dans l’histoire de l’humanité après celle du vent. Il faut savoir qu’un quart de l’énergie du soleil est absorbé par le cycle de l’eau (évaporation) soit donc un énorme potentiel énergétique. La limitation tient à la disponibilité des sites. En effet, l’énergie produite étant proportionnelle au flux d’eau et à la différence de hauteur entre les biefs, il faut disposer d’une rivière dont le débit soit suffisant et dont la vallée soit suffisamment encaissée pour assurer une hauteur de chute satisfaisante. Il faut aussi que le volume immergé de la vallée garantisse une réserve d’eau capable de pallier à long terme les irrégularités du débit de la rivière.

  • 11 Entre 1969 et 1986, on a dénombré, dans le monde, huit ruptures de barrage qui ont provoqué la mor (...)

34Les turbines hydrauliques atteignent actuellement des rendements de 70 à 90 % (contre 20 % pour le moulin à eau). C’est dire qu’il s’agit là d’une source idéale d’énergie mécanique, coûteuse en investissements, sans doute, mais très économique en fonctionnement. La preuve en est apportée par le très faible coût de l’hydroélectricité et par son très faible facteur d’émission de CO2. Energie idéale donc, et voilà bien longtemps qu’on s'est soucié de la valoriser, souvent sans scrupules, au prix de la submersion de charmantes vallées ou de la canalisation de rivières. L'emprise sur l'environnement n'est pas l'apanage des technologies dites « dures » : les énergies douces peuvent aussi parfois se monnayer en termes de destruction de paysages11. Est-il besoin de rappeler que le barrage d’Assouan constitue une catastrophe écologique majeure du 20e siècle ?

4. L’énergie éolienne

35Le vent est un mouvement d’ensemble des molécules d’air, mouvement relativement cohérent, n’étaient les tourbillons de l’air. L’énergie du vent est donc orientée et, de ce point de vue, la situation est favorable. Mais, une fois encore, cette énergie relativement noble est dispersée, ce qui nécessite de grandes surfaces de capture. En outre, son intermittence impose, comme dans le cas du solaire thermique et photovoltaïque, des systèmes de stockage d’énergie ou des unités d’appoint appelés à pallier les déficiences du vent. La situation est donc bien moins engageante que dans le cas de l’énergie hydraulique. C’est une des raisons pour lesquelles les aérogénérateurs qui avaient été construits un peu partout dans le monde au début du 20e siècle n’ont pu résister à la concurrence des machines thermiques alimentées par les combustibles fossiles.

36Une éolienne transforme, en mouvement de rotation, le mouvement de translation des molécules d’air dont la vitesse est le paramètre principal dans la production d’énergie. Une masse M en mouvement (l’air en l’occurrence) possède une énergie cinétique (Ek) proportionnelle au carré de sa vitesse :

Ek =½ Mv2

37D’autre part, la masse d’air M1s qui passe, à chaque seconde, à travers le rotor d’une éolienne est proportionnelle à la surface du rotor et à la vitesse du vent (voir le schéma ci-dessous). Le volume de la colonne d’air est : π R2 v . Sa masse (M1s) est obtenue en multipliant ce volume par la masse spécifique de l’air :

M1s (kg/s) = π R2 v ρ

38Pour un rotor de rayon R donné, on a en fin de compte que l’énergie cinétique de l’air qui le traverse à chaque seconde (c'est-à-dire la puissance du vent) est proportionnelle au cube de sa vitesse :

Ek/s = P(watts) = ½ (π R2 ρ v) v2

39Cette équation montre l’extrême sensibilité des éoliennes à la vitesse du vent : ce paramètre impose le choix de sites venteux pour que la rentabilité de telles machines puisse être garantie. La vitesse moyenne du vent (à 10 m du sol) peut varier de 1 à 10 m/s ce qui, pour une éolienne, se traduit par une variation de puissance d’un facteur 1 à 1 000 !

40Une autre restriction dans le rendement des éoliennes découle du fait que l’air ne peut transférer la totalité de son énergie au rotor car il ne peut stagner (v = 0) en aval de l’éolienne : il doit donc poursuivre sa course et conserver ainsi une fraction de son énergie cinétique. Il a été démontré que la puissance théorique maximale transférable à l’éolienne se monte à 60 % de la puissance cinétique pénétrant dans le rotor (loi de Betz). On peut ainsi estimer la puissance maximale que peut fournir chaque mètre carré de rotor (Ps), (la densité de l’air sec vaut 1,226 kg/m3 à la pression de 101.300 Pa et à la température moyenne de 15°C) :

Ps (W/m2) = ½ 0,60 1,226 v3 = 0,37 v3

41Dans la pratique, l’ensemble formé par le rotor de l’éolienne, les organes de transmission et le générateur atteint un rendement de production d’électricité qui se monte, au mieux, à 60 % de la limite de Betz. C’est ainsi que, par un vent de 13 m/s, dans des conditions idéales d’écoulement de l’air (minimum de tourbillons), on peut espérer tirer un maximum de 500 W par mètre carré de rotor dont, en définitive, la surface totale résulte d’un compromis entre la puissance que l’on souhaite capter et le coût de l’installation. Une éolienne de 50 m de diamètre (hauteur totale : 150 m !) peut, dans ces conditions, atteindre une puissance de 1 MW à pleine charge. En dessous de 5 m/s, le rendement de la machine ne présente plus d’intérêt : beaucoup de régions d’Europe n’offrent que des vents moyens de cet ordre.

42L’éolienne est non seulement extrêmement sensible à la vitesse moyenne du vent mais aussi à son homogénéité. Il en découle bon nombre d’asservissements et de restrictions qui concernent la machinerie ainsi que l’implantation de l’unité :

  • d’une manière générale, les matériaux constitutifs de la machine doivent être très résistants aux contraintes mécaniques imposées par le vent. Pour des vitesses de vent supérieures à 25 m/s, les rotors sont mis en panne, pales « en drapeau » ;
  • la vitesse du vent varie rapidement avec l’altitude dans les premières dizaines de mètres : des variations importantes de contraintes mécaniques s’exercent donc sur les pales du rotor en fonction de leur position par rapport au sol ;
  • le terrain d’implantation doit être très régulier afin de ne développer qu’un minimum de perturbations dans l’écoulement de l’air : de ce point de vue, les sites « off-shore » sont particulièrement appréciés, même si la construction des fondations grève lourdement l’investissement ;
  • le rotor de l’éolienne induit des perturbations dans son sillage : ceci impose donc le respect d’une distance minimale entre différentes machines. On estime qu’il faut réserver, entre deux éoliennes, une distance égale à cinq fois le diamètre des pales. Pour un champ d’éoliennes de 50 m de diamètre, il faut donc assurer une distance de 250 m entre les unités soit donc, suivant l’étendue du parc, une densité de 9 à 14 machines par km2, soit encore un maximum de 10 à 14 MW par km;
  • la restriction la plus sérieuse découle évidemment de l’intermittence du vent et, quand la presse se fait l’écho des perspectives mirifiques présentées par ces engins, la plus grande prudence s’impose. Si une éolienne est capable de fournir l’électricité à, disons, 2 500 ménages, ce n’est bien sûr que lorsqu’elle bénéficie d’un vent favorable ! Il n’est évidemment jamais fait mention des périodes où, le vent faisant défaut, les 2 500 ménages concernés sont alimentés par les sources d’électricité classiques et fiables.

43Une fois encore, on constate que, si l’énergie du vent est gratuite, sa capture et sa transformation en énergie électrique, en revanche, sont pénalisées par les investissements nécessaires à la réalisation d’aérogénérateurs de grande dimension, localisés dans des sites où le vent présente une puissance moyenne suffisante pour justifier l’aventure éolienne. De tels sites sont relativement abondants en mer et à proximité des côtes. Il n’est pas étonnant que les éoliennes foisonnent au Danemark, en Allemagne du nord et en Hollande ; pour les mêmes raisons, tout le territoire de l’Ecosse et le nord de l’Angleterre constituent des zones favorables à l’implantation de tels engins. Il y a donc là des « gisements » d’énergie éolienne qu’il convient d’exploiter. En revanche, à l’intérieur des terres, le continent européen n’offre pas de nombreuses possibilités d’implantations, sinon dans quelques zones propices où existent des « couloirs » régulièrement ventilés.

5. Les alternatives s’imposent-elles sans contestation ?

44La mode des énergies douces se propage par vagues, souvent au gré des médias, toujours soutenue par beaucoup d'enthousiasme. Mais, en matière de sources d’énergies « naturelles », on est loin d'innover. Les Romains connaissaient le moulin à eau qui leur permettait d'économiser le travail d'une quarantaine d'esclaves. Il n'y a pas si longtemps, les traditionnels « moulins » à vent de Hollande assumaient un rôle vital dans le pays : ils pompaient les eaux des polders permettant la mise en culture de superficies agricoles vitales pour le pays. La navigation à la voile a permis à l'Occident de découvrir le monde, de l'exploiter et de couvrir les océans d'un réseau de transfert de richesses qui ont assuré la percée économique de l'Europe d'abord, de l'Amérique du Nord ensuite.

5.1. Certaines énergies renouvelables sont intermittentes

  • 12 La machine a été construite par Augustin Mouchot. Un modèle réduit du miroir est exposé au Musée d (...)
  • 13 L'hiver 1788-1789 fut si rude que les glaces prirent la Seine à Paris. Les moulins à eau furent bl (...)

45En 1878, à l’occasion de l’Exposition universelle de Paris, une machine à imprimer des journaux avait été installée dans le Jardin des Tuileries : elle fonctionnait grâce à un miroir parabolique qui captait l'énergie du soleil pour la concentrer sur une petite chaudière produisant de la vapeur12. Vers cette même époque, bon nombre d'ingénieurs s'attelaient à domestiquer l'énergie solaire et des réalisations virent le jour, dans le Nord de l'Afrique, par exemple. Actuellement encore, des pompes solaires assurent l'alimentation en eau de nombreux villages africains isolés, preuve que de telles installations ont un rôle à jouer et sont appelées à se développer. Mais pourquoi, dès lors, l'énergie solaire ne s'est-elle pas imposée partout comme elle le mérite ; pourquoi n'a-t-elle pas détrôné les combustibles classiques alors qu'elle est « gratuite » et propre ? La réponse n’est que trop évidente : les exigences de confort sont telles que les machines doivent être disponibles vingt-quatre heures par jour, trois cent soixante-cinq jours par an, que le soleil brille ou pas, que le vent souffle ou non. Une simple pression sur un bouton doit suffire pour délivrer toute forme d'énergie13.

46La Belgique a entrepris un effort d’équipement en éoliennes : le pays dispose maintenant d’une puissance installée de 66,645 MW. En 2003, ces aérogénérateurs ont fourni un total de 133,3 GWh d’électricité, évitant ainsi l’émission dans l’air de 40.000 tonnes de CO2. Si les turbines avaient pu fonctionner sans interruption à leur puissance nominale pendant l’année entière (ce qui est évidemment impossible) elles auraient pu fournir :

66,6 MW × 8 760 heures/année = 583.416 MWh d’énergie électrique

47En réalité, leur production n’a été que de 133.300 MWh, ce qui correspond à une disponibilité réelle de 22,8 %. On met donc ici le doigt sur cette intermittence de l’éolien qui fait que de l’électricité n’a vraiment été produite que pendant l’équivalent de 22,8 % du temps d’opération. Certaines centrales électriques thermiques destinées à fournir l’énergie « de pointe » connaissent aussi de longues périodes d’inactivité : c’est le coût à payer pour assurer une distribution adaptée à la demande. Mais ces périodes d’inactivité sont programmées : elles ne sont pas dictées par les caprices d’Eole !

48Les énergies « douces » sont gratuites mais elles sont dispersées et, encore une fois, intermittentes : elles coûtent cher dès le moment où il faut les capter et les stocker en prévision des périodes durant lesquelles elles sont absentes. Le confort de type occidental ne se satisfait que d'une énergie disponible à tout moment et, dans les limites de la technologie actuelle, seules les sources d'énergie fossiles ont pu garantir cette disponibilité en abondance et à moindre frais, parce que ces sources sont de l'énergie chimique potentielle, stockable pratiquement indéfiniment sans dégradation. Lorsque les éoliennes du Danemark et du nord de l’Allemagne s’arrêtent, faute de vent, de l’électricité est importée de France : la solidarité européenne n’est pas un vain mot. Il faut dire que la France est, en Europe, le plus gros exportateur d’énergie électrique ! Et les interconnexions des réseaux de distribution garantissent une stabilité maximale de l’approvisionnement en électricité (à forte proportion nucléaire !) sur tout le continent.

5.2. Les énergies renouvelables sont-elles économiques ?

49On a suffisamment insisté sur les risques de catastrophe planétaire liés au forçage de l’effet de serre. Il est dès lors bien évident que des solutions alternatives s’imposent en réaction aux outrances du système énergétique développé dans les pays industrialisés. Il n’en reste pas moins vrai que les coûts liés aux énergies renouvelables suscitent bien des questions : trop souvent, l’aspect financier est pudiquement éludé des analyses qui leur sont consacrées. L'argent reste le nerf de la guerre, fût-elle la guerre pour la conquête du soleil et, quand bien même cette conquête est absolument inéluctable, il paraît difficile de faire payer très cher, aujourd’hui, des formes d'énergie nouvelles qui risquent par ailleurs de se révéler peu commodes à l'usage. Ce que l’on tente là de domestiquer et de valoriser, ce sont des formes d'énergies diluées, et donc dégradées, qui sont arrivées au bout de leur désordre terrestre :

  • des calories à basse température (quelques dizaines de degrés centigrades),
  • des énergies cinétiques énormes mais dispersées (vent, vagues, marées),
  • les photons du soleil qui possèdent un très bon potentiel énergétique mais sous un flux trop faible, difficile à dompter comme tels.
  • 14 Il est symptomatique de cet état de choses que, bien souvent, les chauffages d’appoint proposés so (...)

50La capture de ces énergies est assurée par des systèmes de collecte, de concentration, de valorisation, onéreux et encombrants parce qu'ils doivent occuper de grandes surfaces. Et pourtant, les photopiles sur lesquelles on mise beaucoup, coûtent de moins en moins cher : leur prix a littéralement chuté et, de curiosité de laboratoire qu'elles étaient il y a une trentaine d'années, elles sont passées au stade de l'utilisation rentable dans des régions isolées, gâtées par le soleil. Le coût de l'électricité produite par ces cellules est encore cinq fois supérieur à celui de l'électricité fournie par les centrales classiques ; mais leur pouvoir concurrentiel va encore s'améliorer à l'avenir, au moins peut-on l’espérer. Le problème le plus ardu est que, si on souhaite prévenir les infidélités de Phœbus, il faut stocker l'énergie captée. En définitive, l'énergie solaire n'est relativement gratuite et abondante que si on se satisfait des caprices du temps et qu'on ne désire pas en profiter la nuit ni surtout l'hiver ! Si on veut un meilleur service, durable, régulier, alors la note à payer enfle à la mesure des exigences et devient bien vite prohibitive. Ou bien on adopte des solutions mitigées et l'énergie solaire n'est plus qu'un appoint qui vient soulager la facture des combustibles fossiles. Mais alors, que d'investissements ! Outre le chauffage solaire qui exige une adaptation profonde des bâtiments, il faut aussi prévoir le système de chauffage traditionnel qui vient en renfort14. Il n'y a sans doute pas grand monde qui soit prêt actuellement à payer fort cher deux systèmes de chauffage dans la même demeure sous le seul argument de la gratuité de l'énergie du soleil.

51Les espoirs que l'on voudrait fonder sur une percée rapide du renouvelable sont aussi mis à mal par la constatation suivante : pour être vraiment rentable, un bâtiment solaire doit être entièrement conçu et aménagé en fonction de son rôle de capteur et d'accumulateur d'énergie. Les bâtiments traditionnels qui couvrent l’Europe sont loin de pouvoir répondre à de telles exigences, quand bien même on y consentirait des transformations intensives. On arrive ainsi à cette conclusion choquante qu'il faudrait pratiquement réaménager tout l'habitat pour que le solaire puisse y jouer un rôle significatif. Ce ne sont pas quelques réalisations dispersées qui soulageront notre facture énergétique. En outre, la surconcentration des populations dans les villes pose le problème de la surface nécessitée pour les systèmes de captage : il faudrait entourer les villes de stations de captage qui couvriraient des espaces exagérément envahissants. Ceci ne signifie pas qu'il ne faut rien entreprendre, bien au contraire : chaque nouvelle maison devrait être pourvue d'une isolation thermique adéquate (ce qui est à présent prévu par la loi) et conçue en fonction d'un rendement maximum de capture des rayons solaires durant l'hiver. Le mouvement est amorcé bien qu'encore trop timide et, bien entendu, trop tardif. On construit encore des maisons unifamiliales, de type pavillonnaire, spacieuses, agréables, bien isolées thermiquement, qui valorisent au mieux le rayonnement solaire, ... mais qui, de toute façon, continueront à consommer plus d'énergie fossile que les demeures anciennes, étroites, frileusement serrées les unes contre les autres, dont on chauffait parcimonieusement une seule pièce au charbon ou au bois. Le confort se paie aussi en joules et en kWh ! Il faudrait que la réhabilitation des centres urbains suscite un retour des habitants vers les villes où les conditions d’isolation sont bien meilleures, où, en hiver, la température moyenne de l’air est supérieure de deux à trois degrés par rapport à la campagne environnante et où il ne devrait pas être nécessaire d’utiliser la voiture personnelle pour accéder aux différents services dont nos sociétés ont besoin.

5.3. Les sources énergies éoliennes et hydrauliques doivent se multiplier

52Si l'électricité est fournie au consommateur au prix uniformisé d'environ 0,15 € par kWh au stade de la production, l'éventail des coûts est très large. Les aérogénérateurs sont chers et l'électricité qu'ils débitent n’est pas bon marché. Les matériaux dont sont faites les photopiles sont très onéreux. A titre d’illustration, le tableau ci-dessous reporte les coûts de production relatifs à la Belgique.

  • 15 Rapport de la Commission AMPERE (2000).

Tableau VII. Coûts du kWh électrique à la production (Belgique)15

Tableau VII. Coûts du kWh électrique à la production (Belgique)15

53L'électricité solaire est encore trop chère dans la course aux énergies et il semble peu réaliste d’attendre un retournement de situation avant que les prix du pétrole n’aient renchéri de manière significative, au moment où les réserves seront déjà au bord de l’extinction. Et pourtant, l’énergie du soleil devrait, de toute urgence fournir un appoint significatif de manière à ralentir le forçage de l’effet de serre, sinon à le faire régresser, de manière à réduire notre désespérante dépendance énergétique.

5.4. La biomasse doit être valorisée pour son potentiel énergétique

54Les capteurs solaires sont chers et occupent beaucoup d'espace. En outre, ils ne sont pas très esthétiques et exigent beaucoup d'entretien. Or, sur notre planète, existe depuis longtemps un type de capteur qui présente tous les avantages des systèmes les plus élaborés sans en accuser les inconvénients. Ce type de capteurs :

  • se fabrique tout seul,
  • ne demande pratiquement aucun entretien,
  • il est particulièrement esthétique et parfaitement « écologique »,
  • sa technologie est bien connue mais demande quelques aménagements,
  • à l’instar des énergies du soleil, il ne participe pas à l’amplification de l'effet de serre
  • et, comble de perfectionnement, non seulement il capte l'énergie solaire mais, en outre, il la stocke sous forme de combustible.

55Il s'agit bien entendu de l’arbre ou, plus généralement, de la plante verte, de la biomasse, merveille d'adaptation à la capture et au piégeage du flux d'énergie solaire et qui, année après année, réalise sous forme de bois (ou de pailles, ou de feuilles, ...) ce stock d'énergie potentielle que la technologie a tant de mal à constituer. Bien sûr, les rendements de piégeage et de transformation de l’énergie solaire par la biomasse sont faibles : moins de 2 % en moyenne, à comparer aux 10 % que l’on peut espérer des cellules photovoltaïques. La nature ne s'est pas montrée très rigoureuse lorsqu'elle a inventé la chlorophylle : des éoliennes ou les photopiles arrivent à capter une dizaine de watts par m2.

56Ainsi donc, après avoir vanté les mérites (relatifs et limités) des énergies fossiles, après avoir démontré l'impossibilité de baser une économie de type actuel sur l'exploitation de la biomasse, trop lente à croître, voilà que nous bouclons la boucle pour nous retrouver face à un constat troublant : tant qu'à miser sur le solaire, autant que ce soit par l'exploitation de la biomasse. Il s'agit là d'une vue personnelle de l’auteur, loin d'être partagée par tous ses collègues. Mais on ne pourra contester la validité des qualités énumérées ci-dessus au crédit des plantes. Pourquoi faudrait-il que, sous prétexte de mise au point d'énergies douces, on retombe dans le travers qui consiste à oublier que la nature a déjà élaboré depuis belle lurette ce qu'on essaye de plagier à grands frais ? Actuellement encore, à l’échelle mondiale, la combustion de la biomasse est la source d’énergie renouvelable la plus utilisée (10 % de la consommation totale), devançant ainsi l’hydroélectricité (5 %).

57En 2010, les stations-service de l’Union européenne devront offrir 5,75 % de biocarburants sous forme d’éthanol et d’ester de colza ou de tournesol. Notre dépendance énergétique en sera légèrement réduite de même que l’émission des gaz à effet de serre liée aux transports routiers. L’ester de colza devient ainsi une essence Diesel au prix de revient de 0,7 € par litre contre 0,2 € pour l'essence dérivée du pétrole. Il faudra une sérieuse défiscalisation pour convaincre d'utiliser l'essence « verte » sur une grande échelle. Il faudra aussi y consacrer de vastes superficies de terres agricoles, ce qui présentera l’avantage supplémentaire de revaloriser les jachères imposées par les excès de production agricole. Cette très maigre contribution à notre consommation totale d’énergie (environ 1 % de la consommation totale actuelle d’énergie brute) va exiger la mise en culture de 9 millions d’hectares de terre, ce qui correspond presque exactement à trois fois la superficie d’un pays comme la Belgique ! Un raisonnement identique aboutirait aux mêmes conclusions pour ce qui concerne le bioéthanol. Actuellement, dans l’Europe des 25, les unités existantes de production de biodiesel en fournissent 1 GTEP chaque année tandis que le bioéthanol est produit à raison de quelque 223 MTEP : c’est peu en comparaison des capacités des Etats-Unis (4,22 GTEP) !

58L'expérience des siècles passés a montré que les premières crises de l'énergie étaient dues à un déficit en bois, incapable de soutenir les besoins d'une économie pourtant encore bien balbutiante. En 1850, les besoins en énergie étaient couverts à raison de 90 % par le bois aux Etats-Unis. A présent que la consommation énergétique y a été multipliée par trente, que serait-il advenu des forêts américaines si le charbon, le gaz, le pétrole et le nucléaire n'avaient assuré la relève ?

59Si la biomasse ne peut nous sortir de l'impasse, il est vain d'espérer que toute autre solution « solaire » puisse arriver à faire beaucoup mieux, sinon par un rendement énergétique très nettement meilleur, et un envahissement des régions désertiques tropicales par des panneaux de cellules photovoltaïques, ce qui paraît quelque peu utopique (et stratégiquement délicat !). Il faudra rentabiliser au mieux cette énergie offerte par le soleil. Si l'option se porte sur les cultures énergétiques, l'exploitation se fera de manière systématique et rigoureuse, après qu'un vaste programme de reforestation ait permis d'accumuler suffisamment d'énergie potentielle sous forme de cellulose. Ce sera l'ère des « fermes énergétiques ». La biomasse sera convertie en énergie thermique dans des centrales où les rendements de combustion seront optimalisés, où les cendres seront récupérées pour nourrir les terres de culture.

60Mais qu'on ne s'y trompe pas, si les fermes énergétiques envahissent le paysage rural et forestier, ce sera aux dépens des productions traditionnelles, forestières, alimentaires, industrielles ... sauf si on réussit à associer la production d'aliments avec la récupération des déchets végétaux non comestibles (pailles, feuilles, ...). On peut estimer que, de toute la biomasse produite en agriculture, 10 % seulement est consommée de l'une ou l'autre manière ; le solde est déchet, recyclé pour amender les sols, ou brûlé sur place.

61L'entreprise est gigantesque, à la (dé)mesure du gaspillage énergétique actuel. Imaginons que notre consommation d'énergie reste ce qu'elle est aujourd'hui (ce qui est impensable) et que nous soyons réduits à la couvrir exclusivement à partir d'une biomasse produite sur des terres agricoles ou forestières. Sachant que le citoyen européen consomme en moyenne l'équivalent de 3,3 tonnes de produits pétroliers chaque année, satisfaire une telle profusion d'énergie, exigerait de produire 10 tonnes de matière végétale sèche. Dans de bonnes conditions, on peut faire croître sur les sols européens - soyons très optimistes - 20 tonnes de matière sèche par hectare et par an. Pour subvenir aux besoins énergétiques avec les seules ressources de la biomasse, il faudrait donc consacrer, pour chaque européen, 0,5 ha du sol à des cultures énergétiques. Etant donné que la densité de peuplement en Europe est de 144 habitants par km2, on calculera aisément que 72 % de la superficie du continent devrait être consacrée aux seules cultures énergétiques alors que, actuellement, 80 % des terres européennes sont déjà dévolues à la production agricole et forestière, en ce compris, les surfaces de jardinage. Autrement dit, la moindre parcelle de sol actuellement couverte de verdure devrait presque exclusivement servir à produire de l'énergie « verte ». Quelque 10 % serait laissé à la production de nourriture. Quel revirement pour l'Europe Verte !

6. Pour conclure

  • 16 Il est bien évident qu’il est exclu de baser une économie énergétique uniquement sur la biomasse : (...)

62Nous venons de procéder à une démonstration par l’absurde : elle n’a pour but que de montrer les limitations inexorables des cultures solaires et de mettre en évidence la dilution de l'énergie solaire et l'échelle des ressources à mettre en oeuvre pour la piéger par voie naturelle16. Dans ce calcul simple, nous avons adopté la formule la plus économe en énergie et en investissements, celle qui consiste à brûler directement la matière végétale séchée. Il est bien évident que toute transformation préalable de la biomasse en d'autres formes de combustible moins polluantes (alcool, gaz, ...) pénaliserait la méthode par des rendements encore moins favorables.

63L'énergie géothermique vient loin derrière parce que les flux moyens de chaleur provenant du sein de la terre sont bien trop faibles, de l’ordre de 0,03 W/m2. Seules quelques régions privilégiées du monde sont capables d'extraire du sol l'énergie nécessaire à leur production d'électricité : l'Islande et la Nouvelle Zélande sont dans ce cas. En contrepartie, l'activité sismique et volcanique qui règne dans ces pays expose les populations à bien des déboires.

64Les flux d'énergie naturelle sont limités, aléatoires, partout disponibles mais diffus, quelle que soit la manière dont on les exploite. Ils ne peuvent à eux seuls assurer un confort facile, bon marché, équivalent à celui dont nous jouissons actuellement. Alors, de deux choses l'une, ou bien nous vivons trop bien ici, en Occident, ou bien nous sommes trop nombreux sur la planète Terre à vouloir nous partager un gâteau qui va en s'amenuisant. A ressources énergétiques limitées, population restreinte, et ceci nous ramène au Malthusianisme. La lutte pour la survie énergétique risque d'être âpre, d'autant plus qu'il faudra subvenir à des besoins alimentaires croissants. Le monde est envahi par la faim et on songe à transformer des ressources alimentaires en combustible ! L'alternative est simple : ou bien les besoins en énergie seront réfrénés drastiquement ou bien on continuera à envoyer en fumée le charbon, le gaz et le pétrole, jusqu'à ce que tout s'arrête, après épuisement des biomasses fossiles accumulées sous terre durant les millions d'années qui ont précédé l’apparition sur terre de l'Homo Technicus.

65Il est grand temps de mettre fin à ce qui nous paraît s’assimiler beaucoup trop à une duperie : bien sûr, la diversification énergétique est-elle impérative mais nous n'avons pas (pas encore ?) mis au point les moyens techniques capables de dompter facilement, à notre gré, l'énergie du soleil, cette énergie réputée « douce », inépuisable, propre, qui nous permettrait de perpétuer le gâchis au rythme de notre consommation actuelle. Le charbon pourrait assurer un statu quo pendant deux siècles encore ... à la condition que le dioxyde de carbone qu’il dégage soit recueilli et séquestré dans des sites souterrains parfaitement étanches, sous peine d’entraîner la planète à bien des déboires climatiques. L'enjeu est trop important pour que la chandelle énergétique continue à brûler par les deux bouts sans souci des lendemains qui déchantent.

7. Références

66Audibert, P. (1978) : « Les Energies du Soleil » ; coll. Points - Science, Ed. du Seuil.

67CEC (1980) Commission of the European Communities, Environment and Consumer Protection Service : "Environmental Impact of Energy strategies within the EEC", Pergamon Press.

68Commission AMPERE (2000) : “Analysis of the Means of Electricity Production and the Restructuring of the Energy Sector” : final report to the State Secretary for Energy and Long-Term Development of the Belgian Federal Ministry of Economic Affairs.

69Dessus B. et Pharabod F. (2002) : « L’Energie Solaire » : Que sais-je ? Presses Universitaires de France.

70Dessus, B. : « Les promesses des énergies renouvelables », La Recherche, vol. 20, n° 214, 1989, pp. 1282-1289.

71Flavin, Ch. and N. Lenssen (1991) : "A renewable energy future" ; Environmental Science and Technology, vol 25, n° 5.

72Kleeman, M. und M. Meliss (1988) : "Regenerative Energiequellen" ; Springer -Verlag.

73Ngo Chr. (2002) : « L’énergie ; Ressources, technologies et environnement », Dunod.

74Special Issue of Scientific American : "Energy for Planet Earth", Sept. 1990.

75Vernier, J. (1997) : « Les énergies renouvelables » ; Que sais-je ? Presses Universitaires de France.

76Watson, D. (1979) : « Le livre des maisons solaires », Editions l'Etincelle, Montréal, 1979.

77Wrixon, W.T., Rooney, A.-M.E., Palz, W. (1993) : “Renewable Energy – 2000” : Springer – Verlag.

78Zweibel, K. (1990) : "Harnessing solar power - The photovoltaic challenge", Plenum, 332 p.

Notes

1 Au Sahara, 6 kWh/m2 jour : mais dans les régions polaires, moins de 1 kWh/m2 jour (Ngo, 2002).

2 Rappelons que l’énergie d’un photon vaut E = hv. La longueur d’onde la plus abondante dans le spectre solaire se situe à 0,55 Nm. Chaque photon de cette longueur d’onde apporte donc une énergie de 3,6 10-19 J (2,25 eV) et une mole de ces photons délivre 210 kJ, énergie suffisante pour élever de 50°C la température de 1 L d’eau.

3 Ce potentiel solaire est connu depuis longtemps puisque la légende fait à Archimède la réputation d’avoir incendié des navires romains qui assiégeaient Syracuse (212 av. J.-C.) en concentrant sur eux les rayons du soleil focalisés par des miroirs ardents. La légende est prodigieuse mais sans doute quelque peu magnifiée.

4 Chiffres fournis par Chr. Ngo (2002). Cette région des Pyrénées jouit d’un ciel particulièrement dégagé pendant une grande partie de l’année.

5 La glace, par exemple, fond à 0°C en absorbant de l’énergie, pour se transformer en eau à 0°C. L’énergie thermique ainsi absorbée à température constante est donc la « chaleur latente » de fusion de la glace. Le même principe peut être adapté à des substances dont la température de fusion est de quelques dizaines de degrés.

6 Le saut énergétique (« gap ») vaut 1,1 eV pour le silicium cristallin et 1,7 eV pour le silicium amorphe. Les photons les plus abondants du soleil ont une énergie de 2,2 eV. Ceux de 1,1 eV ont une longueur d’onde de 1.150 nm.

7 Remarquons que la séparation de charges électriques ainsi créée demande un apport d’énergie moins important que dans le semi-conducteur (SC) intrinsèque : cette demande en énergie est aussi compensée par la tendance naturelle de tout système à évoluer vers plus de désordre (entropie).

8 Données tirées de B. Dessus et F. Pharabod (2002).

9 Et s’il est moins onéreux, c’est qu’il exige moins d’énergie à la production ! Le silicium fond à 1 410°C : il coûte cher en énergie d’en faire des cristaux parfaits. Par contraste, le silicium amorphe présente de moins bons rendements car les électrons retombent trop facilement de la bande de conduction sur la bande de valence.

10 Données tirées de Chr. Ngo (2002).

11 Entre 1969 et 1986, on a dénombré, dans le monde, huit ruptures de barrage qui ont provoqué la mort de 3 840 personnes (A.F. Fritzsche : Risk Analysis, 9, n° 4, 1989).

12 La machine a été construite par Augustin Mouchot. Un modèle réduit du miroir est exposé au Musée des Arts et Métiers à Paris.

13 L'hiver 1788-1789 fut si rude que les glaces prirent la Seine à Paris. Les moulins à eau furent bloqués et la farine vint à manquer ; le peuple eut faim, prémices de bien des bouleversements en France !

14 Il est symptomatique de cet état de choses que, bien souvent, les chauffages d’appoint proposés soient électriques, de manière à ne pas trop forcer la note à l’investissement.

15 Rapport de la Commission AMPERE (2000).

16 Il est bien évident qu’il est exclu de baser une économie énergétique uniquement sur la biomasse : il faut varier les sources alternatives ET améliorer les rendements de production et d’utilisation des énergies fossiles. Par ailleurs, les déserts tropicaux pourraient utilement accueillir de vastes installations de domptage de l’énergie solaire.

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